两栖装备入舰引导系统换能器关键技术研究

张平+吴锋+王谦+丁晟

摘 要：针对两栖装备上登陆舰面临的自动化程度较低、无法全天候实施的问题，为提高恶劣海况和黑夜中的登舰作业能力，设计了一种两栖装备入舰引导系统。通过水下探测器接收到登陆舰发射的超声定位脉冲信号，获得当前车辆的实际位置，发出车辆的位置和偏离航线信息，实现驾驶员盲视驾驶。针对系统两个不同频率的基站，提出了两种不同的换能器带宽技术方案。通过对发射模块的指向性仿真，用换能器组成发射基阵。在此基础上，完成车载信号模块的硬件设计，并对三路宽带脉冲信号进行仿真，验证了导航算法的原理可行性。最后通过海上实车实验，进一步验证了算法的可行性和稳定性。

关键词：两栖装备；登陆舰；引导系统；换能器

中图分类号：TP391 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.010

渡海战争必定涉及到两栖作战的装备输送问题。目前，两栖装备的主要装载方式是通过登陆舰在海上装载。抢滩登陆前，必须由登陆舰将装备运到敌方阵地前沿海域，然后让装备下水，遂行登陆作战任务。为了提高部队的机动性能，两栖装备的登舰常常需要在夜间进行，并常常伴有风浪和洋流的影响。因此，两栖装备上登陆舰是一项技术难度很大的工作。而作为海上装载最重要环节的登舰过程，基本上靠车长指挥驾驶员通过目视判断登舰，自动化程度较低，亟需通过技术手段提高登舰的可靠性和效率。

本文从濒海训练过程中发现的两栖装备碰撞损坏问题出发，总结得出目前存在以下几个重要问题：①装备靠人工导航登舰，登舰的方位容易偏离正确的行驶线路，发生战车和登舰跳板钢缆的碰撞事故，造成登陆舰舱门和车辆不同程度的损坏，如图1所示。据统计，某部5年海训下海装备故障统计，装备上下登陆舰碰撞率在50%～60%之间，造成了开展海训演习大项任务后大量两栖装备需要维修。②如果碰撞严重，可能会撞坏两栖装备浮箱，影响装备下水后的浮力，甚至撞坏登陆舰登舰跳板的牵引钢缆，使舰艇不能登舰。在登陆作战时，这样的事故将大大降低装备完好率，甚至影响战局的成败。③由于人工目视登舰，在装备不能完全对准舰艇舱门时，只能重新驶离舱门，重新开始下一轮登舰操作，影响作战预备时间，降低作战效率。④在风浪较大的时候，仅靠人工目视指挥根本无法执行登舰操作。⑤由于缺乏盲视登舰设备，目前登舰操作一般只能在白天进行，不符合实战化训练的要求。因此，亟需研究一种性能可靠，适用于全天候复杂海况，类似于舰载飞机的盲降导航系统，应用于两栖装备的高精度入舰导航，用来引导装备以正确的航线和航行姿态登舰，减少装备与登陆舰舱门的碰撞机率。

本课题的研究成果可以直接应用于功能用途相近的装备上，其主要意义如下：①提高恶劣海况下的两栖装备登舰能力，解决以往恶劣海况无法登舰的问题；②解决了夜间登舰的问题，使两栖装备的登舰从白天扩展到全天候登舰；③缩短了常规战前预备时间，提高部队快速反应能力；④减少每年濒海训练阶段两栖装备的损坏率，降低日常维护费用。

从国内外公开发行的资料和各种网上信息来看，目前没有直接应用于两栖装备入舰导航的专用系统。但从单纯的导航和盲降、盲驶技术来分析，目前普遍使用的导航（引导）技术包括：GPS全球定位导航技术、基于GPRS和CDMA的定位导航技术、电磁感应制导技术、磁制导技术、光学制导技术、舰载飞机着陆导航系统和汽车倒车引导系统。通过对从上述几种导航技术的比较可以得出，这些常用的这些导航和引导技术都有各自应用的领域，但对于两栖装备入舰导航并不适合。因此，必须从两栖装备的特点出发，设计一种性能可靠、精度高、适合海上作业的入舰引导系统。

1 系统设计

1.1 基本功能及技术指标

入舰引导系统工作示意图如图2所示，在半径为200 m，发射角为120°的扇形工作区间里，各种两栖装备随车安装的导航系统通过水下探测器接收到登陆舰发射的超声定位脉冲信号，通过车载终端的分析和计算，获得当前车辆的实际位置，通过驾驶员前的显示屏，发出车辆的位置和偏离航线情况，实现盲视驾驶，提高恶劣海况和黑夜中的登舰作业能力。

因此，两栖装备入舰引导系统应具有以下功能：①解算装备的运动参数。利用水声定位与导航技术，解算装备的运动参数，比如装备与舰门中心线的偏离参数。②基于实时场景图像的登舰引导。通过实时显示装备的当前方位与舰门中心线偏离图像信息，引导装备向舰门的中心线航行并登舰。

系统主要技术指标为：①50 m以外的测向误差小于1°；②50 m以内的测向误差小于0.5°，测距误差小于10%；③最大声纳导航范围为150 m；④最大图像引导范围为300 m。

高精度导航系统主要由舰载设备、水下设备和车载设备所构成。其中，舰载设备包括超声信号源和调制器、发射机、射频同步信号发射机和舰载电源；水下设备由发射换能器和接收换能器组、进舱电缆、水密接线盒等部件组成；车载设备主要由接收机、同步信号接收器、信号处理单元、嵌入式系统、车载触摸屏和车载电源所组成。系统方案设计框图如图3所示。

1.2 分系统功能描述

各子系统功能描述如下。

1.2.1 信号发生及调制子系统

该子系统产生的超声信号与一般的测距系统不同，根据系统精度和响应速度的要求，选择一种调制的脉冲超声波作为本系统的基站信标。由于系统有两个基站，所以分A、B两套信号标识系统，用不同的发射频率进行同步发射，在接收机端分别用水听器和接收器进行区分，获得两个基站的信号。

1.2.2 射频同步信号发射器和接收器

同步控制器有两个作用：①控制两路信标发生器在同一时间发射超声波脉冲；②启动接收电路计数器，接收电路先后接收到的两路超声波脉冲形成与距离成正比宽度的脉冲信号。其可分为一个发射模块和三个接收模块。

1.2.3 发射机

根据超声频率和换能器的不同以及作业范围的大小，选择设计高性能的超声波信号发射机。本系统选择的发射机功率在400 W左右。

1.2.4 发射换能器

超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶体换能器两类。属于磁致伸缩换能器的有镍片换能器和铁氧体换能器。镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用；铁氧体换能器的电声转换效率比较低，一般使用1～2年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。目前，广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。常用的材料有石英晶体、铁酸钡（BaTiO）和错钦酸铅（PbTiZrO，简称PZT）。

1.2.5 水听器

可以采用增压型水听器杆的方式来实现。增压型水听器杆是由多片压电陶瓷PZT薄圆片按一定间距，同轴安装在由两个半圆拼合而成的长圆柱金属杆内。其形状为长圆柱，也被称为杆型水听器。由于该水听器的一阶谐振频率较高，特别适用于作为小信号的宽带发射换能器或作为宽带接收传感器使用。

1.2.6 接收机和信号预处理单元

包括前置低噪声放大电路、滤波电路和信号整形电路。其结构如图4所示。

2 换能器方案论证

发射换能器的宽带技术、发射机之间宽带匹配技术以及接收基阵的减振、降噪技术是本课题的技术难点。目前，国内市面上销售的低功耗超声波探头，一般不能用于探测长距离。美国AIRMAR 公司生产的Airducer AR30 超声波传感器的作用距离很远，但价格较贵。目前作用距离近百米（空气中）的换能器，一般工作频率不高，为十几千赫兹，功耗和体积较大，发散角较小，其内部结构多为压电晶体型，可承受大电压，对电流要求不高。本系统中使用的长距离超声测距传感器也属于压电晶体型，考虑到超声测距传感器的性能、安装尺寸和现场测试等问题，所选换能器的工作频率范围通常在10～20 kHz之间，同时增大换能器的输出能量，可以制成较大作用距离的超声波传感器。为了获得较好的声场，发射换能器所发出的声信号要具有理想的发射参数。为了实现换能器的宽带工作，同时减小发射基元的研制风险，将对多种方案同时研究，选取最佳方案来实现本课题的发射换能器。本系统有两个基站，频率不同，所以要求换能器有带宽要求。

2.1 方案一：用匹配层换能器作为发射基元

一种方案是采用匹配层换能器来作为发射基元，如图5所示。匹配层技术主要是在换能器辐射面与水介质之间增加一层或数层具有一定声特性阻抗的材料。粘贴匹配层材料对于换能器相当于增加了参与振动的部件，或者说增加了负载质量，换能器的基频就会降低。由于匹配层材料的声特性阻抗小于换能器上任意部件的特性阻抗，它的第二谐振频率（厚度振动频率）同样降低，这就形成两个靠近的谐振峰，从而拓宽了工作频带。这两个谐振峰的大小和间距取决于匹配层的厚度、声速、密度，也与换能器本身的特性有关，如图6、图7所示。

2.2 方案二：用特定的宽带换能器

另一种方案是采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，如图8所示。这类换能器的工作频带中有两个模态参与振动：一个是换能器的纵向振动模态，另一个是换能器前盖板的弯曲振动模态。换能器的实测电压发送响应和换能器的实测指向性如图9和图10所示。

3 发射基阵设计与仿真

发射基阵由48个发射模块所组成，每个模块包含有18个发射换能器，波束宽度为1°，其示意图如图11所示，发射基阵在纵向方向上的指向性如图12所示。

为了使发射基阵具有比较大的波束偏转角，单个发射换能器在水平维上必须具有足够宽的指向性，即单个发射换能器在水平维上的尺寸a≤λ/2。单个换能器的指向性如图13所示。

两个发射模块在0°、-30°-60°和-75°时的横向波束如图14所示：

在两个发射模块中，在不同的相位延迟角下，所对应的波束转动角、指向性指数和指向性指数下降量如表1所示。

当基阵进行大角度旋转时，基元上的相位延迟角与实际波束转动角之间会存在一定的偏离，我们称之为主波束偏离。其产生的主要原因是基阵最终的方向性是由基阵因子（无方向性点元所构成基阵的方向性）和基元方向性的乘积而成的，即：

当θ=θ0时，基阵因子Ax（θ，θ0）=1，达到最大值；当θ稍小于θ0时，尽管Ax（θ，θ0）略为减小，而基元方向性E（θ）却有较大的增加，总的结果使作为E（θ）和Ax（θ，θ0）乘积的P（θ，θ0）有所增加，且在θ1处使P（θ，θ0）达到最大。此时，主波束偏离角为Δθ=θ1-θ0，基阵因子越小时，主波束偏离角就越小；基元因子越大，主波束偏离角也越小。这个现象在大角度扫描的基阵中都会出现的。

为了防止在大角度旋转时出现比较大的旁瓣，对发射阵中的基元采取幅度加权。加权方案是采用线性衰减，其加权系数与基元的位置坐标如图15所示。

4 车载信号模块设计

当两栖装备入舰引导系统正常工作时，随着两栖车辆由远及近航行，车载换能器的输出信号幅度会逐渐增大，信号最大幅度与最小幅度的比值达到50倍以上。如果放大器的放大倍数固定，很可能引起信号限幅现象。因此，在作A/D采样前，必须动态调整信号放大器的倍数。这主要通过自动增益控制（AGC）模块来实现。在车辆航行时，螺旋桨、结构件的振动噪声比较大。为了降低处理频段之外的干扰对有用信号的影响，在前置信号调理器内增加了有源带通滤波器，很好地滤除了低频和高频声干扰成分。

根据系统的功能要求，设计了车载信号模块的硬件原理图，如图17所示。图17中换能器端的前置放大、电路板1上的带通滤波和TVG均属于信号调理器，主要实现模拟信号的滤波、放大等功能。电路板1上A/D采集和大容量数据缓冲区用于采集模拟信号。电路板2上的信号发生器和功率放大模块用于发射避障脉冲。工控机用于接收和处理数字信号、送显处理结果，控制系统的运行等。

4.1 信号处理

两栖装备入舰引导系统的核心是实时估计装备的对中偏角和距离。作数字处理信号时，先截取PCW信号，估计出装备运动引起的多谱勒频移，并对多谱勒频移作补偿，计算多组拷贝信号，然后对降采样后的基带信号作匹配滤波，计算三路宽带脉冲信号到达车载接收换能器的时刻点，再计算它们的时延，最后利用球面波传播模型计算出坦克对中偏角和距离，信号处理流程如图18所示。

目标的距离估计精度受制于发射基阵物理孔径的大小。这是由于目标距离越远，声信号的球面波传播模型越来越接近平面波模型，对中偏角的估计精度降低很少，但距离估计误差越来越大。

4.2 模型仿真

对4.1中所述的球面波传播模型进行计算机仿真，发射阵孔径设置为8 m（即阵元间距为4 m），接收端在正横方向（即0?方向），目标的距离由远及近逐渐改变，利用球面波模型模拟出不同距离下的声信号，再迭加各向同性、空间均匀的海洋环境噪声，对此模拟信号作信号处理，估计目标距离。多次作模拟，横坐标表示设定的距离，纵坐标表示信号处理的估计结果。结果如图19所示。

从图19可以看出，随着目标距离的增大，估计出的距离越来越发散，即距离估计误差在增大。这些仿真并没有考虑多路径传播、多谱勒频移、发射换能器的安装位置误差等因素，实际的距离估计误差大于仿真值。

实际发射换能器阵的基阵孔径约5.3 m，远处目标的距离估计误差非常大。根据海洋原理验证实验的处理结果和实际登舰引导的需求，初步选择50 m作为一个门限。连续多批估计距离小于此值时，就认为装备已经前进至50 m内。此时，将绘制出距离-方向历程图，即装备的近距离航迹图。由于距离估计误差较小，航迹图比较连续，便于引导驾驶员登舰。否则，仅绘制方向历程图。

三路宽带脉冲信号传播时，所经过的海洋信道接近，它们的多路径传播特征很相似，图20表示复杂环境下的一组多路径结构图，各个脉冲信号的多路径特征有很多相似性，通过作谱相关处理就可以准确估计出通道间的时延，从而准确估计出装备的距离和方向。

为了补偿目标相对运动引起的多谱勒频移，先根据PCW信号粗算多谱勒频移，再以此多谱勒频移作为中心频率，划分一个可能的频移区间。根据宽带信号的多谱勒容限，生成覆盖该频移范围的多个拷贝信号，分别与接收的宽带导航信号作匹配滤波，如图21所示。匹配滤波后的相关峰越高，说明多谱勒补偿越好，最后选择相关峰最高的相关谱作后续处理。

由于信号处理方案充分考虑到海洋声道的复杂性并采取了必要措施，从几次实验结果可以看出导航算法在原理上的可行性。实际对中偏角估计精度远高于技术指标，距离估计精度能够满足技术指标。

5 海上实验

为进一步验证入舰引导方案，我们在真实海洋环境进行实车实验。实验内容主要包括：①通过静态试验.验证引导算法在浅水波导条件下的性能，比较分析各个宽带脉冲的多路径传播现象，验证提高时延估计精度的谱相关计术。②作动态试验。在接收端运动的情况下，分析多谱勒频移对估计精度的影响，对拷贝信号作多谱勒频移补偿，验证运动状态下导航算法的可行性及性能。静态实验结果及软件界面见图22。

通过本次实验，可得到如下结论：①在水声情况比较复杂的海洋环境，表现出明显的多路径传播现象，如图23所示。采用谱相关处理，能够大大提高导航算法的可靠性和稳定性。②目标相对运动引起的多谱勒频移，会大大降低匹配滤波器的相关性，从而降低时延差估计精度。对拷贝信号作多谱勒频移补偿后，

引导算法的性能接近静止状态下的性能。因此，无论是在静止还是在运动状态下，两栖装备入舰引导算法是可行的，性能可靠、稳定。作多谱勒补偿和谱相关处理后的一组动态实验结果如图24所示。

6 小结

本系统以水下声波作为导航信号的载波，循环发送导航信号，不受电子干扰的影响，能实现全天候工作，尤其可以引导驾驶员晚上登舰，并以图形、数字和语音的形式将装备的当前位置信息提示给驾驶员，引导两栖装备从海上顺利登舰，大大降低了装备碰撞登陆舰的概率，解决了装备登舰过程中的近距离引导难题。

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〔编辑：胡雪飞〕